馬任甜，胡斐南，劉婧芳，許晨陽，楊志花，王子龍，趙世偉?

黃土高原植被恢復(fù)過程中土壤表面電化學(xué)性質(zhì)演變特征*

馬任甜1，2，胡斐南1，2，3，劉婧芳1，2，許晨陽1，楊志花3，王子龍1，2，趙世偉1，2，3?

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2. 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北農(nóng)林科技大學(xué)），陜西楊凌 712100；3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

土壤膠體表面所帶電荷是土壤具有一系列物理、化學(xué)性質(zhì)的根本原因。表面電荷數(shù)量、比表面積、表面電荷密度、表面電場強(qiáng)度以及表面電位是土壤膠體顆粒重要性質(zhì)，影響土壤中物理、化學(xué)、生物化學(xué)過程。運(yùn)用帶電顆粒表面性質(zhì)聯(lián)合分析法，測定黃土高原子午嶺地區(qū)不同植被類型下土壤表面電荷性質(zhì)，研究自然植被恢復(fù)過程對土壤表面電荷性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：隨著植被的演替，子午嶺林區(qū)土壤表面電荷數(shù)量、比表面積、表面電荷密度均隨植被的恢復(fù)增加，變化范圍分別為10.88～19.85?cmol·kg–1、40.67～61.71?m2·g–1和0.22～0.31?c·m–2，平均值分別為16.18?cmol·kg–1、54.88 m2·g–1和0.28?c·m–2，土壤表面電場強(qiáng)度達(dá)108V·m–1數(shù)量級；土壤黏粒、有機(jī)碳含量是影響表面電荷性質(zhì)的主要因素，解釋率分別為62.5%和27.9%；土壤基本性質(zhì)對表面電荷性質(zhì)的影響由強(qiáng)到弱依次為：黏粒、有機(jī)碳、砂粒、全氮、C/N、粉粒、碳酸鈣、pH。研究結(jié)果對于進(jìn)一步認(rèn)識黃土高原土壤顆粒表面性質(zhì)，加深理解土壤中發(fā)生的一系列物理化學(xué)過程具有重要意義。

表面電荷性質(zhì)；土壤膠體；植被恢復(fù)；黃土高原

土壤膠體是土壤中活躍且最為細(xì)小的部分[1]，攜帶著土壤中絕大部分電荷，是土壤宏觀現(xiàn)象發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。土壤膠體顆粒細(xì)小，具有較大的比表面積，膠體所帶的表面電荷是土壤具有一系列物理、化學(xué)性質(zhì)的根本原因[3]。該電荷數(shù)量巨大、分布廣泛并且作用歷程長，能夠主導(dǎo)土壤膠體顆粒間的相互作用，使其具有不同于其他非帶電顆粒的特殊物理化學(xué)行為。表面電荷數(shù)量、比表面積、表面電荷密度、表面電場強(qiáng)度以及表面電位是土壤膠體顆粒非常重要的性質(zhì)，表面電荷性質(zhì)的差異直接影響土壤顆粒表面及周圍所發(fā)生的化學(xué)和物理化學(xué)過程，進(jìn)而影響到土壤保水保肥、污染物遷移、水土流失以及農(nóng)業(yè)面源污染等問題[4-9]。因此，準(zhǔn)確認(rèn)識土壤表面電化學(xué)性質(zhì)對合理利用土壤資源具有重要意義。

目前關(guān)于土壤表面電荷性質(zhì)的資料尤其是關(guān)于表面電位、表面電荷密度的資料還比較缺乏，其中一個(gè)重要原因就是缺少可靠的測定方法[9]。傳統(tǒng)測定方法由于不能準(zhǔn)確測定比表面積，導(dǎo)致表面電位、表面電荷密度和表面電場強(qiáng)度等參數(shù)測定不可靠，結(jié)果偏離其真實(shí)值[9-10]。目前測定土壤表面電荷性質(zhì)的方法主要有離子吸附法和電位滴定法[1]，但這兩種方法也存在自身的不足，一方面實(shí)驗(yàn)操作較為繁瑣，另一方面測定結(jié)果不準(zhǔn)確。根據(jù)離子吸附法和電位滴定法的優(yōu)缺點(diǎn)，Li等[11]提出了表面性質(zhì)聯(lián)合分析法，可測定任何土壤表面電位、表面電荷密度，能夠較方便地獲得土壤表面電化學(xué)參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是通過一次實(shí)驗(yàn)便可完成土壤表面電位、表面電荷密度、表面電場強(qiáng)度、比表面積和表面電荷數(shù)量的測定，信息量大，工作量小，操作簡單。

子午嶺地區(qū)是黃土高原目前惟一保存完整的天然次生林區(qū)，自明清以來，該區(qū)植被經(jīng)歷了破壞-恢復(fù)—破壞的生態(tài)演替過程。子午嶺地區(qū)植被恢復(fù)后土壤性質(zhì)發(fā)生了變化，有機(jī)質(zhì)含量、酶活性和微生物總量增加[12-14]，土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況得到改善[15]，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力得到提高[16]，這些性質(zhì)的改變必然會引起土壤顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，土壤界面性質(zhì)的變化又會影響到土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、水土流失和水分入滲等一系列土壤侵蝕和水文學(xué)過程[6-8]。從土壤表面電荷性質(zhì)入手，更利于深入認(rèn)識土壤以及其與眾多微觀過程和宏觀現(xiàn)象的關(guān)系，但土壤表面性質(zhì)在這些問題中的作用往往被忽略。因此本文擬采用物質(zhì)表面性質(zhì)聯(lián)合分析法對不同植被類型下土壤顆粒表面電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定，初步探討植被恢復(fù)過程中土壤電荷性質(zhì)的變化特征，一方面加深對植被群落演替與土壤表面電荷性質(zhì)之間關(guān)系的認(rèn)識，另一方面可以提高我們對土壤中所發(fā)生的一系列物理化學(xué)過程的深層次理解，為科學(xué)合理評估與指導(dǎo)黃土高原植被恢復(fù)提供參考。

１ 材料與方法

1.1 研究區(qū)狀況

研究區(qū)位于黃土高原子午嶺北部甘肅省合水縣連家砭林場，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，海拔1200～1600?m，為半干旱季風(fēng)氣候。該區(qū)年平均氣溫7.4℃，年均降雨量587.6?mm，年平均相對濕度63%～68%，干燥度0.97。土壤為原生或次生黃土，厚度一般為50～100?m。子午嶺北部植被是在1866年當(dāng)?shù)厝丝谕膺w后，在棄耕地的基礎(chǔ)上恢復(fù)起來的天然次生林，具有完整的植被演替序列，其喬木林主要有油松（.）、遼東櫟（）、山楊（）、白樺（）等；灌叢主要有白刺花（）、沙棘（）、虎榛子（）等；草本主要有白羊草（）、茭蒿（）、鐵桿蒿（）、本氏針茅（）[17]等。

1.2 樣品采集與分析

2017年11月在甘肅省合水縣連家砭林場，運(yùn)用植被恢復(fù)演替的空間序列代替時(shí)間序列的方法，根據(jù)植被恢復(fù)年限、結(jié)構(gòu)、群落組成，選取植被演替各個(gè)階段的典型樣地，在選擇樣地時(shí)盡量保證立地條件的一致性。植被類型包括草地白羊草、灌叢沙棘、喬木山楊、白樺和頂級喬木遼東櫟，并以鄰近農(nóng)田作為對照（表1）。樣地具體位置見圖1，采用典型樣方法，每個(gè)喬木林設(shè)3個(gè)10?m×10?m的樣方，灌木設(shè)3個(gè)5?m×5?m的樣方，草地設(shè)3個(gè)1?m×1 m樣方。每個(gè)樣地采集0～20?cm表層土壤樣品，記錄樣方內(nèi)各群落的物種組成和數(shù)量，對喬木調(diào)查各株胸徑、樹高、枝下高、冠幅和群落郁閉度，對灌木、草本調(diào)查其蓋度、高度和地徑等；同時(shí)進(jìn)行立地條件調(diào)查，即調(diào)查樣地的地理位置（經(jīng)緯度）、海拔、坡度和土壤類型等（表1）。

土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后，剔除植物殘根和石礫等，用陶瓷研缽研磨過0.25?mm和2?mm篩。土壤基本性質(zhì)的測定采用常規(guī)分析方法[18]。土壤有機(jī)碳采用K2Cr2O7熱容量法測定，全氮采用凱氏定氮儀測定（KDY-9830，KETUO）；土壤pH的測定采用電極法，土水比為1︰2.5；容重采用環(huán)刀法測定；土壤碳酸鈣含量采用氣量法測定；土壤顆粒分析采用英國馬爾文公司生產(chǎn)的MS2000激光粒度儀測定，并按國際制標(biāo)準(zhǔn)分為砂粒（2～0.02 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）和黏粒（<0.002 mm）3個(gè)粒級。

1.3 土壤表面電荷性質(zhì)的測定

由于子午嶺土壤碳酸鹽含量較高，在制備氫飽和樣前需對土壤樣品進(jìn)行脫鈣處理，分別稱取過0.25?mm篩孔的六種不同植被類型下風(fēng)干土各200?g于6個(gè)2L燒杯中，緩慢加入0.5?mol·L–1HCl溶液1L，用玻璃棒攪拌均勻，振蕩5h，離心棄去上清液。繼續(xù)加入HCl溶液，重復(fù)上述操作3次，直至土樣中無CO2氣泡產(chǎn)生。

根據(jù)Li等[11]提出的表面性質(zhì)聯(lián)合測定方法，首先將供試土樣制成氫飽和樣。制備方法如下，將脫鈣后的土壤樣品移入5 L大燒杯中，加入0.1? mol·L–1HCl溶液2 L，攪拌5 h，離心棄去上清液。繼續(xù)加入HCl溶液，重復(fù)上述操作3次。最后一次離心后，加入同樣體積的去離子水，重復(fù)上述的振蕩和離心過程，得到的樣品即為氫飽和樣。再將土樣在60℃溫度條件下烘干，用瓷砵研磨過0.25?mm篩，裝袋備用。

表1 樣地基本信息

①Farmland，②Herbage，③Shrub，④Arbor，⑤，⑥，⑦，⑧，⑨.

圖1 子午嶺采樣點(diǎn)位置

分別稱取一定量的上述六種制備過0.25?mm篩的氫飽和樣（白羊草、沙棘、山楊、白樺和遼東櫟土壤各5?g，農(nóng)田土壤10?g）于6個(gè)150?mL三角瓶中，各土樣設(shè)置3個(gè)重復(fù)，加入55?mL?0.01? mol·L–1的Ca(OH)2和NaOH混合溶液（農(nóng)田土壤加入50 mL0.01 mol·L–1的Ca(OH)2和NaOH混合溶液）。振蕩后逐滴加入1?mol·L–1HCL溶液調(diào)節(jié)土壤懸液pH，之后振蕩平衡24 h，最終使得土壤懸液pH維持在7左右，測定平衡后的各土樣的pH，使用火焰光度計(jì)和原子吸收儀分別測定上清液Ca、Na離子濃度。

1.4 土壤表面電荷性質(zhì)的計(jì)算[11]

表面電位0：

式中，0為表面電位，單位V；為理想氣體常數(shù)；為絕對溫度；為Faraday常數(shù)；Ca和Na分別為Ca2+和Na+離子的有效電荷系數(shù)，且有Ca=–0.0213ln（0.5）+1.2331，Na=0.0213ln（0.5）+0.766；為離子強(qiáng)度，單位mol·L–1；0Na、0Ca為溶液中Na+、Ca2+活度，mol·L–1；Na和Ca為土壤中Na+、Ca2+的吸附量，mol·g–1。

表面電荷密度0：

式中，0為帶電土壤顆粒表面電荷密度，c·m–2；為介電常數(shù)（水介質(zhì)中其值為8.9×10–10，C2·J–1·dm–1。

表面電場強(qiáng)度0：

式中，0為表面電場強(qiáng)度，V·m–1。

比表面積：

式中，為比表面積，m2·g–1；=0.525 9ln（0Na/0Ca）+1.992，0Na，0Ca分別為本體溶液中Na+、Ca2+濃度；為德拜參數(shù)，單位L·dm–1，其倒數(shù)–1表示膠體顆粒擴(kuò)散雙電層的厚度，其值可表示為

表面電荷數(shù)量SCN：

式中，SCN為表面電荷數(shù)量，cmol·kg–1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)在Microsoft Excel 2003軟件中進(jìn)行整理，利用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)判定數(shù)據(jù)的相關(guān)性。土壤理化性質(zhì)與表面電荷性質(zhì)之間的關(guān)系利用Canoco 5.0進(jìn)行冗余分析（RDA）研究土壤基本性質(zhì)對表面電荷性質(zhì)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同植被類型下土壤基本理化性質(zhì)

子午嶺地區(qū)植被恢復(fù)后，土壤基本理化性質(zhì)發(fā)生變化。由表2可以看出，子午嶺土壤呈弱堿性，不同植被類型下土壤pH平均值為8.43；土壤容重受質(zhì)地、結(jié)構(gòu)性和松緊度等因素的影響。植被演替初期，土壤容重較大，土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)，進(jìn)入灌木林階段后，容重降低，到遼東櫟林階段降到最低，說明在植被恢復(fù)過程中土壤容重變小，土壤變得疏松，土壤結(jié)構(gòu)和通透性能改善，土壤的物理性能逐漸好轉(zhuǎn)。研究區(qū)黃綿土發(fā)育于黃土母質(zhì)，碳酸鈣含量較高，變化于80.09～149.95 g·kg–1之間，平均含量為113.52?g·kg–1，隨著植被演替的進(jìn)行，土壤碳酸鈣含量有所降低。土壤C、N元素作為影響植物正常生長發(fā)育所必需的養(yǎng)分，在植物生長過程中發(fā)揮著重要的作用[19-21]。子午嶺地區(qū)土壤有機(jī)碳和全氮平均值分別為12.19?g·kg–1和1.24?g·kg–1，隨著演替的進(jìn)行，群落環(huán)境發(fā)生改變，凋落物的質(zhì)和量增加，土壤微生物的活性增強(qiáng)，凋落物分解速率加快，土壤養(yǎng)分升高。土壤C/N平均值為9.68，植被演替后期，土壤C/N趨于穩(wěn)定，土壤碳、氮含量對環(huán)境變化的響應(yīng)具有一致性。土壤顆粒組成影響土壤的水力特性、肥力狀況，是重要的土壤物理特性之一。子午嶺地區(qū)隨著植被的恢復(fù)，土壤砂粒含量降低，黏粒和粉粒含量增加，但增減幅度不大，這是由于退耕還林以后，減少了雨滴對地面的直接擊濺侵蝕，降低了徑流對土壤的沖刷，穩(wěn)定了成土環(huán)境，使黏化作用增強(qiáng)，黏粒聚積明顯，粉粒、黏粒含量增加，砂粒含量減小。

表2 土壤基本性質(zhì)

①Farmland，②，③，④，⑤，⑥The same below.

2.2 土壤樣品離子交換平衡結(jié)果及表面電化學(xué)性質(zhì)

根據(jù)Li等[11]提出的物質(zhì)表面參數(shù)聯(lián)合測定原理，利用火焰光度計(jì)所測定的六種不同植被類型下土壤的平衡活度（0Ca、0Na）、平衡濃度（0Na，0Ca）及相應(yīng)的和擴(kuò)散層離子數(shù)量（Ca、Na）的計(jì)算結(jié)果列于表3。

表3 不同植被類型下土壤樣品離子交換平衡計(jì)算結(jié)果

表面電荷數(shù)量、比表面積、表面電荷密度、表面電場強(qiáng)度以及表面電位是土壤膠體非常重要的性質(zhì)，土壤電荷80%以上集中在膠體部分。土壤表面電荷數(shù)量是作物吸收營養(yǎng)元素的關(guān)鍵因素，決定了土壤吸附離子的數(shù)量[5]，土壤質(zhì)地越細(xì)，其電荷數(shù)量越大。子午嶺地區(qū)不同植被類型下土壤表面電荷數(shù)量變化范圍10.88～19.85?cmol·kg–1，平均16.18 cmol·kg–1，表面電荷數(shù)量隨植被恢復(fù)年限的增加而增加（表4）。從表3中Na+和Ca2+離子的吸附量也可以看出，隨植被演替的正向進(jìn)行，離子吸附量增加。本方法測得的表面電荷數(shù)量與其他學(xué)者利用傳統(tǒng)交換法測定的表面電荷數(shù)量結(jié)果相比，低于zhang等[22]研究的黃土高原不同土地利用類型下土壤表面電荷數(shù)量（喬、灌、草地土壤表面電荷數(shù)量分別為40.60、37.36、36.70?cmol·kg–1），但高于許明祥等[23]研究的黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型下土壤表面電荷數(shù)量（喬、灌、草地土壤表面電荷數(shù)量分別為16.7、8.2、8.1?cmol·kg–1）。

土壤膠體具有的巨大比表面是土壤進(jìn)行吸附反應(yīng)和離子交換的重要場所[1]，它與土壤保持和供應(yīng)作物所必需的養(yǎng)分和水分能力密切相關(guān)。本研究中土壤比表面積變化范圍40.67～61.71?m2·g–1，平均54.88?m2·g–1，且隨著植被的恢復(fù)，土壤比表面積增大，農(nóng)田表面電荷數(shù)量和比表面積較低是由于其缺乏黏粒（無機(jī)膠體）和有機(jī)質(zhì)（有機(jī)質(zhì)膠體）。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與余正洪等[2]使用相同方法測得的南方紅壤、黃壤、和紫色土比表面積相比，子午嶺土壤比表面積較紫色土（128.57?m2·g–1）和紅壤（70.57 m2·g–1）小，較黃壤（42.10?m2·g–1）大，與楊亞提等[24]使用傳統(tǒng)吸附法測定的陜西省幾種典型土壤類型比表面積值（黃褐土、塿土、黑壚土和黃綿土比表面積值分別為37.0、29.1、24.6和25.1?m2·g–1）相比較高。

表4 不同植被類型下土壤的表面電化學(xué)性質(zhì)

土壤表面電荷密度是指單位面積上的電荷數(shù)量，影響離子的吸附強(qiáng)度，電荷密度越大，吸附力越強(qiáng)[25]。子午嶺林區(qū)不同植被類型下土壤表面電荷密度在0.22～0.31?c·m–2變化，平均值為0.28?c·m–2，土壤表面電荷密度隨恢復(fù)時(shí)間的增加而增加，遼東櫟林土壤表面電荷密度最大，是農(nóng)田土壤的1.29倍，說明隨著植被的恢復(fù)，單位面積上的電荷數(shù)量增加，土壤保持養(yǎng)分離子牢固程度增加。此外，表面電荷密度高的土壤膠體較表面電荷密度低的土壤膠體更容易形成團(tuán)聚體，暗示了土壤膠體表面電荷性質(zhì)在土壤團(tuán)聚體形成過程中的重要作用。要揭示土壤團(tuán)聚體形成的機(jī)理，從土壤電荷性質(zhì)入手可能會起到事半功倍的效果。由于缺乏準(zhǔn)確的測定土壤表面電荷性質(zhì)的方法，通過傳統(tǒng)方法測得的土壤電場作用很小，隨著更精確方法的建立，發(fā)現(xiàn)土壤表面電場強(qiáng)度高達(dá)108數(shù)量級（表4），如此強(qiáng)大的土壤表面電場必然會影響土壤界面反應(yīng)以及土壤中所發(fā)生的微觀過程和宏觀現(xiàn)象[26]。

2.3 土壤理化性質(zhì)對表面電化學(xué)性質(zhì)的影響

對土壤理化性質(zhì)與土壤表面電荷性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析（表5），可以看出土壤pH和碳酸鈣含量與表面電荷性質(zhì)相關(guān)性不顯著；有機(jī)碳、全氮、C/N和黏粒含量與表面電荷性質(zhì)呈極顯著正相關(guān)（<0.01），砂粒含量與表面性質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)（<0.01），粉粒含量與比表面積和表面電荷數(shù)量呈顯著正相關(guān)（<0.05）。

對不同植被類型下土壤理化性質(zhì)和土壤表面電荷性質(zhì)進(jìn)行冗余分析（RDA）（圖3），從圖中可以看出第一軸和第二軸分別解釋了總體變異的80.45%和13.56%，土壤黏粒含量與第一排序軸有很強(qiáng)的相關(guān)性；6種不同植被土壤性質(zhì)存在差異，農(nóng)田土壤分布在第一象限，遼東櫟和白樺林土壤分布在第二象限，白羊草、沙棘、山楊林土壤分布在第三象限。土壤黏粒、有機(jī)碳和全氮含量與表面電荷數(shù)量、比表面積以及表面電荷密度呈極顯著正相關(guān)，砂粒含量與表面電荷數(shù)量、比表面積以及表面電荷密度呈極顯著負(fù)相關(guān)。土壤黏粒和有機(jī)碳含量（=60.7，=0.01；=21.4，=0.01）是影響表面電荷性質(zhì)的主要因素，解釋率分別為62.5%和27.9%（表6），土壤黏粒、有機(jī)碳、砂粒、全氮、C/N、粉粒、碳酸鈣和pH共同解釋了95.7%的表面電荷性質(zhì)的變化。土壤因素的影響順序由大到小依次為：黏粒、有機(jī)碳、砂粒、全氮、C/N、粉粒、碳酸鈣、pH。

表5 土壤理化性質(zhì)與表面電化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

注：圖中1、2、3、4、5、6、φ0、σ0、E0、S、SCN分別代表農(nóng)田、白羊草、沙棘、山楊、白樺、遼東櫟、表面電位、表面電荷密度、表面電場強(qiáng)度、比表面積和表面電荷數(shù)量。Note：In the figure 1，2，3，4，5，6，φ0，σ0，E0，S and SCN represents farmland，Bothriochloais-chemum，Hippophae reamnoides，Populus davidiana，Betula platyphylla，Quercus liaotungensis，surface potential，surface charge density，surface electric field intensity，specific surface area and surface charge number respectively.

表5和圖2表明土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量顯著影響表面電荷性質(zhì)。土壤黏粒顆粒細(xì)小具有巨大的表面積，其成分主要為層狀鋁硅酸鹽黏土礦物和黏粒氧化物，黏土礦物的同晶置換及黏粒氧化物表面羥基的解離，使土壤帶負(fù)電荷，從而影響到土壤電荷數(shù)量[27]。因此，土壤黏粒含量愈高，比表面積愈大，土壤質(zhì)地愈黏重，土壤負(fù)電荷量越多，表面電荷數(shù)量越大。相對于土壤黏粒來說，砂粒與表面電荷數(shù)量、比表面積呈負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)樯傲ｎw粒較粗，主要是由原生礦物質(zhì)組成[28]，表面積較小，吸附交換點(diǎn)少。因此黏粒含量高砂粒含量低的土壤其比表面積和表面電荷數(shù)量相應(yīng)也高。此外，土壤黏粒組成與表面電化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系十分密切[27]，本研究區(qū)土壤均由黃土母質(zhì)發(fā)育而來，黏土礦物組成穩(wěn)定，主要以伊利石、高嶺石和蒙脫石等為主。土壤有機(jī)質(zhì)作為膠體顆粒的重要組成部分，不但可以改善土壤結(jié)構(gòu)，還能改變土壤的膠體狀況，使土壤吸附作用增強(qiáng)[29]。土壤有機(jī)質(zhì)一般帶負(fù)電荷，每增加1%有機(jī)質(zhì)含量，可增加１?cmol·kg–1負(fù)電荷量；此外土壤有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)膠體為兩性膠體，是土壤固相中陽離子交換量最大的部分，隨有機(jī)質(zhì)含量增加，表面電荷數(shù)量也增加[30]。土壤有機(jī)質(zhì)組成中的腐殖質(zhì)比表面積約為800～900?m2·g–1，為一般無機(jī)礦物的近10倍[31]，因此有機(jī)質(zhì)含量提高，土壤顆粒比表面積增加。通常土壤pH對表面電荷性質(zhì)的影響較為顯著[32]，但在本研究中不同植被類型下土壤pH基本一致，所以pH對六種不同植被覆蓋的土壤表面電荷性質(zhì)影響最小。

表6 土壤理化性質(zhì)與表面電化學(xué)性質(zhì)的相互關(guān)系

3 結(jié) 論

運(yùn)用表面性質(zhì)聯(lián)合測定法，測定黃土高原植被恢復(fù)過程中土壤表面電荷性質(zhì)的演變規(guī)律。隨著植被的恢復(fù)，土壤表面電荷數(shù)量、比表面積、表面電荷密度均升高，且表面電場強(qiáng)度達(dá)108V·m–1數(shù)量級，如此大的土壤靜電場必定會對土壤固-液界面離子行為產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響土壤物理、化學(xué)、生物化學(xué)過程。土壤黏粒和有機(jī)質(zhì)含量是影響土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的重要因素，二者解釋率之和占到90%。

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Evolution of Soil Surface Electrochemical Characteristics with Vegetation Restoration on Loess Plateau in Ziwuling Area

MA Rentian1，2, HU Feinan1，2，3, LIU Jingfang1，2, XU Chenyang1, YANG Zhihua3, WANG Zilong1，2, ZHAO Shiwei1，2，3?

(1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 3. Institute of Soil and Water Conservation, CAS & Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China)

It is well known that some fine particles of the soil carry charges, which are basically concentrated on soil colloids. The charges on the soil surface account for a series of physical, chemical and physiochemical properties of the soil. Surface potential, surface charge density, surface electric field intensity, specific surface area and surface charge number are important property parameters of soil colloidal particles. The researches on charge properties and interactions of charged surface with ions, electrons and protons are the foci of the study on soil electro-chemistry. Differences in surface charge properties directly affect surface chemical and physicochemical mechanisms of the soil. Therefore, it is of important significance to have accurate understanding of soil surface electrochemical properties to rational utilization of soil resources. However, it is still unclear how soil surface charge properties evolve with vegetation restoration in the Ziwuling area.For this study the method of combined analysis of surface properties was applied to measure surface potential and surface charge density of the soils varying in vegetation in the Ziwuling area. This method can be used to get surface potential and surface charge density without the need for the data of specific surface area, thus making easier to measure surface charge properties. Correlation analysis and redundancy analysis were adopted to explore effects of basic physical and chemical properties of the soil on its surface charge properties.Results show that with the vegetation evolving in the Ziwuling area, physical and chemical properties of the soil gradually improved; soil bulk density and calcium carbonate content decreased, varying in the range of 1.04～1.27 g·cm–3and 80.09～149.95 g·kg–1and being 1.16 g·cm–3and 113.52 g·kg–1on average, respectively; contents of organic carbon, total nitrogen and clay increased, varying in the range of 7.12～17.84 g·kg–1, 0.94～1.16 g·kg–1and 18.26～22.10%, and being 12.19 g·kg–1, 1.24 g·kg–1and 20.52% on average, respectively; and surface charge properties of the soil particles in the soil altered too, with surface charge number, specific surface area, and surface charge density increasing, varying in the range of 10.88～19.85 cmol·kg–1, 40.67～61.71 m2·g–1and 0.22～0.31 c·m–2, being 16.18 cmol·kg–1, 54.88 m2·g–1and 0.28 c·m–2, on average, respectively and surface electric field intensity reaching as high as 108V·m–1in order of magnitude. Soil clay and organic carbon content are the main factors affecting surface charge properties, explaining 62.5% and 27.9% of the changes, respectively. In terms of impact on surface charge properties, soil properties displayed an order of clay > organic carbon > sand > total nitrogen > C/N > silt > calcium carbonate > pH.The findings of this study have deepened our understanding of the surface charge properties of the soil in the Loess Plateau, and provided a theoretical basis for better explaining the microscopic processes and macroscopic phenomena occurring in the soil with vegetation restoration.

Surface charge properties; Soil colloid; Vegetation restoration; Loess Plateau

S153.2

A

10.11766/trxb201809200474

馬任甜，胡斐南，劉婧芳，許晨陽，楊志花，王子龍，趙世偉. 黃土高原植被恢復(fù)過程中土壤表面電化學(xué)性質(zhì)演變特征[J].土壤學(xué)報(bào)，2020，57（2）：392–402.

MA Rentian，HU Feinan，LIU Jingfang，XU Chenyang，YANG Zhihua，WANG Zilong，ZHAO Shiwei.Evolution of Soil Surface Electrochemical Characteristics with Vegetation Restoration on Loess Plateau in Ziwuling Area[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：392–402.

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41601236，41701261）、中國科學(xué)院西部之光項(xiàng)目（XAB2016B07）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41601236，41701261）and the “Light of West China”Program from the Chinese Academy of Sciences（No. XAB2016B07）

，E-mail：swzhao@nwafu.edu.cn

馬任甜（1991—），女，陜西延安人，博士研究生，主要從事土壤電化學(xué)方面研究。E-mail：18700468706@163.com

2018–09–20；

2018–11–29；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2019–01–09

（責(zé)任編輯：盧 萍）